腐食工学

腐食工学は、科学的、技術的、工学的スキル、自然法則と物理的資源に関する知識を適用して、腐食を管理するための材料、構造、装置、システム、手順を設計および実装する工学の専門分野です。^[1] 全体論的な観点から見ると、腐食とは金属が自然界で見られる状態に戻る現象です。^[2]金属を腐食させる原動力は、金属の形で一時的に存在することの結果です。天然の鉱物や鉱石から金属を製造するには、例えば高炉内の鉄鉱石のように、一定量のエネルギーを供給する必要があります。したがって、これらの金属がさまざまな環境にさらされると自然界で見られる状態に戻るのは熱力学的に避けられません。^{[3]したがって、腐食と腐食工学には、}化学反応速度論、熱力学、電気化学、材料科学の研究が含まれます。

腐食工学は一般に冶金学や材料科学に関連していますが、セラミック、セメント、複合材料、炭素やグラファイトなどの導電性材料を含む非金属にも関連しています。腐食エンジニアは、亀裂、脆性破壊、ひび割れ、フレッティング、浸食など、厳密には腐食ではない他のプロセスを管理することが多く、通常はインフラ資産管理に分類されます。1990年代には、インペリアル・カレッジ・ロンドンが「エンジニアリング材料の腐食」と題する理学修士号を提供していました。 ^[4]マンチェスター大学の一部であるUMIST（マンチェスター大学科学技術研究所）も同様のコースを提供しています。腐食工学の修士課程は世界中で受講でき、カリキュラムには腐食の制御と理解に関する学習資料が含まれています。オハイオ州立大学には、最も有名な腐食エンジニアの1人であるマーズ・G・フォンタナにちなんで名付けられた腐食センターがあります。^[5]

1995年には、米国全土における腐食のコストは年間約3000億ドルに上ると報告されました。^[6]これは、腐食が世界経済に与える損害に関する以前の報告を裏付けるものでした。

ザキ・アフマドは著書「腐食工学と腐食制御の原理」の中で、「腐食工学とは、腐食を最小限に抑えたり防止したりするために、腐食科学から発展した原理を応用したものである」と述べています。^[7]シュレイアらは、2巻からなる大著「腐食」の中で同様のことを示唆しています。^[8]腐食工学には、腐食防止スキームの設計と特定のコードと実践の実施が含まれます。カソード防食、腐食防止設計、構造物のコーティングなどの腐食防止対策は、腐食工学の領域に含まれます。しかし、腐食科学と腐食工学は密接に関係しており、切り離すことはできません。常に新しい、より優れた保護方法を生み出すための永遠の結びつきなのです。これには、腐食抑制剤の使用が含まれる場合があります。 「腐食工学ハンドブック」の中で、著者のピエール・R・ロベルジュは、「腐食とは、環境との反応による材料の破壊的な攻撃です。腐食プロセスの深刻な結果は、世界的に重要な問題となっています」と述べています。^[9]

コストは金銭的なものだけではありません。金銭的なコストと天然資源の浪費もあります。1988年には、英国では90秒ごとに1トンの金属が完全に錆びたと推定されています。^[10]人命のコストもあります。腐食による壊滅的または他の原因による故障は、人命を奪ってきました。^[11]

腐食の教育、防止、遅延、管理を行う腐食工学グループが世界中で結成されています。これらには、米国腐食技術者協会(NACE)、欧州腐食連盟 (EFC)、英国腐食研究所、オーストラリア腐食協会が含まれます。腐食技術者の主な仕事は、材料の腐食の影響を経済的かつ安全に管理することです。

腐食工学分野における最も著名な貢献者には次のような方々が含まれます。

• マイケル・ファラデー（1791–1867）
• マルセル・プールベ（1904–1998）
• ハーバート・H・ウーリグ(1907–1993)
• ユーリック・リチャードソン・エヴァンス（1889–1980）
• マース・ガイ・フォンタナ（1910–1988）
• メルビン・ロマノフ( -1970)

腐食技術者やコンサルタントは、内部腐食または外部腐食のシナリオに特化する傾向があります。どちらにおいても、腐食制御の推奨事項、故障解析調査、腐食制御製品の販売、腐食制御および監視システムの設置または設計の提供を行います。^{[7] [12] [13] [14] [15]}すべての材料には弱点があります。アルミニウム、亜鉛メッキ/亜鉛コーティング、真鍮、銅は、非常にアルカリ性または酸性の pH 環境では耐えられません。銅と真鍮は、硝酸塩またはアンモニアが多い環境では耐えられません。炭素鋼と鉄は、土壌抵抗率が低く塩化物が多い環境では耐えられません。^[16]塩化物が多い環境では、通常は保護されているコンクリートで覆われている鋼でさえも耐えられず、攻撃することがあります。コンクリートは、硫酸塩が多く酸性の環境では耐えられません。また、腐食性バクテリアがいる高硫化物および低酸化還元電位環境では、何も耐えられません。これは生物起源の硫化物腐食と呼ばれます。^{[17] [18]}

地下腐食制御エンジニアは、土壌サンプルを採取して、pH、最小土壌抵抗率、塩化物、硫酸塩、アンモニア、硝酸塩、硫化物、酸化還元電位などの腐食因子について土壌化学を検査します。^{[19] [20]}土壌の特性は地層ごとに変わる可能性があるため、インフラストラクチャが占有する深さからサンプルを採取します。現場の土壌抵抗率の最小テストは、サイトの腐食性を判断するためによく行われる場合、ウェナー4ピン法を使用して測定されます。ただし、乾燥期間中は、地下の結露により、埋設金属表面と接触している土壌がより湿った状態になる可能性があるため、テストでは実際の腐食性が示されない場合があります。これが、土壌の最小または飽和抵抗率を測定することが重要である理由です。土壌抵抗率テストだけでは、腐食性元素を特定できません。^[21]腐食エンジニアは、地上調査方法を使用して活発な腐食が発生している場所を調査し、腐食速度を止めたり減らしたりするために、カソード保護などの腐食制御システムを設計できます。^[22]

地質工学技術者は通常、腐食工学を実践しておらず、土壌腐食性分類表を読んで土壌抵抗率が 3,000 オーム-cm 以下である場合は、腐食技術者にクライアントを紹介します。残念ながら、古い酪農場では土壌抵抗率が 3,000 オーム-cm を超えていても、銅管や接地棒を腐食させるレベルの腐食性アンモニアや硝酸塩が含まれている場合があります。腐食に関する一般的な格言は、「土壌が農業に適している場合、腐食にも適している」ということです。

水中腐食技術者は、地下の腐食制御で使用されるのと同じ原則を適用しますが、状態評価、腐食制御システムの設置と試運転には、特別な訓練を受けた認定スキューバダイバーを使用します。 ^{[23] [24]}主な違いは、電圧測定値を収集するために使用される参照セルの種類です。杭^{[25] [26]}と石油およびガス掘削装置の脚の腐食は特に懸念されます。^[27]これには、英国沖の北海とメキシコ湾の掘削装置が含まれます。

大気腐食は、一般的には非特定環境における一般的な腐食を指します。大気腐食の防止は、通常、材料の選択とコーティングの仕様によって行われます。^[28]鉄骨構造物への亜鉛コーティング（ガルバニックとも呼ばれます）の使用は、亜鉛が犠牲陽極として、またコーティングの一種として機能する陰極保護の一種です。 ^[29] 時間の経過とともに、亜鉛メッキコーティングに小さな傷がつくことが予想されます。亜鉛はガルバニックシリーズでより活性であるため、下層の鋼よりも腐食しやすく、腐食生成物が傷を埋めてそれ以上の腐食を防ぎます。傷が細かい限り、亜鉛と鋼の両方が接触している限り、結露した水分が下層の鋼を腐食することはありません。水分がある限り、亜鉛は腐食し、最終的には消失します。印加電流陰極保護も使用されます。^[30]

飛沫危険区域の通常の定義は、水域の平均水位のすぐ上とすぐ下の区域である。また、水しぶきやミストが発生する可能性のある区域も含まれる。^{[31] [32] [33]}

フェンスの腐食のかなりの部分は、造園業者の道具がフェンスのコーティングを傷つけたり、灌漑用スプリンクラーがこれらの損傷したフェンスに水を噴射したりすることによるものです。リサイクル水は、通常、飲料水よりも塩分が多く、通常の水道水よりも腐食性が高いことを意味します。地上の配管や逆流防止装置にも、損傷や水しぶきによる同様のリスクがあります。グラスファイバー製のカバー、ケージ、コンクリート製の土台は、道具を手の届く距離に保つのに効果的です。屋根の排水口が水しぶきで落ちる場所も問題になります。家の屋根の谷からの排水がガスメーターに直接落ち、配管が急速に腐食し、4年以内に壁の厚さの50％に達します。これは、海や、腐食するにつれて材料が除去される酸素と攪拌の多いプールの飛沫帯と同じ効果です。^[34]

ベンチシートの支柱や遊園地の乗り物などのタンクや構造チューブは、構造上排水ができない場合、水や湿気が溜まることがあります。この湿気の多い環境は、構造の内部腐食を引き起こし、構造の完全性に影響を及ぼす可能性があります。熱帯環境でも同様のことが発生し、外部腐食につながる可能性があります。これには、 船舶の バラスト タンクの腐食が含まれます。

パイプラインには危険物が運ばれることが多いため、その構造的完全性は極めて重要です。パイプラインの腐食は重大な結果を招く可能性があります。^[35]パイプラインの腐食を制御するために使用される方法の1つは、フュージョンボンドエポキシコーティングを使用することです。DCVGは腐食を監視するために使用されます。印加電流カソード保護も使用されます。^[36]

石油化学産業は、通常、腐食性の高い媒体に遭遇します。これには硫化物や高温が含まれます。したがって、腐食の制御と解決策は世界経済にとって不可欠です。^[37]注入水中のスケール形成は、腐食に関して、したがって腐食エンジニアにとって独自の問題を引き起こします。^[38]

船舶のバラストタンクには腐食の原因となる燃料が入っています。水もその一つで、通常は空気も存在し、水がよどむことがあります。構造の完全性は安全と海洋汚染の防止に重要です。バラストタンクの腐食量を減らすには、コーティングが最適な解決策となっています。^[39] 印加電流による陰極防食も使用されています。^[40]同様に、犠牲陽極による陰極防食も使用されています。^[41]塩化物は腐食を大幅に加速するため、船舶のバラストタンクは特に腐食の影響を受けやすいです。^[42]

英国の鉄道業界における最大の課題の一つは腐食であると言われています。^[43]最大の問題は、腐食が旅客輸送車両の構造的完全性に影響を及ぼし、その結果、耐衝撃性に影響を及ぼすことです。その他の鉄道構造物や資産も影響を受ける可能性があります。パーマネント・ウェイ・インスティテュートは、この問題について定期的に講義を行っています。2018年1月、金属構造物の腐食により、リバプール・ライム・ストリート駅が緊急閉鎖されました。^{[44] [45] [46]}

ガルバニック腐食（異種金属腐食とも呼ばれる）は、電解質の存在下で、ある金属（より活性な方）が別の異種金属と電気的に接触すると優先的に腐食する電気化学プロセスです。^{[47] [48]}同様のガルバニック反応は、携帯機器に電力を供給するための有用な電圧を生成するために一次電池で利用されています。典型的な例は、亜鉛と銅の電極を持つ電池です。ガルバニック腐食は、犠牲金属がカソード防食に使用されるときにも利用されます。ガルバニック腐食は、電解質の存在下で活性金属とより貴な金属が接触すると発生します。^[49]

孔食は、極めて局所的な腐食で、材料（ほとんどの場合金属）に小さな穴が開きます。^[50]このタイプの腐食から生じる故障は壊滅的になる可能性があります。一般的な腐食では、時間の経過とともに失われる材料の量を予測するのが簡単で、これを工学構造に組み込むことができます。孔食は、隙間腐食と同様に、材料の損失がほとんどない壊滅的な故障を引き起こす可能性があります。孔食は受動的な材料で発生します。古典的な反応メカニズムは、Ulick Richardson Evansに帰せられます。^[51]

隙間腐食は、孔食腐食と非常によく似たメカニズムを持つ局部腐食の一種である。^[52]

応力腐食割れ（SCC）は、腐食環境における亀裂の成長です。^[53]発生するには、1) 腐食環境 2) 応力 3) 影響を受けやすい材料という 3 つの条件が必要です。SCCは、引張応力を受けると、通常は延性のある金属に予期せぬ突然の、したがって壊滅的な破損を引き起こす可能性があります。これは通常、高温で悪化します。SCC は化学的に非常に特異的であり、特定の合金は、少数の化学環境にさらされた場合にのみ SCC が発生する可能性があります。破損前に SCC が検出されないことはよくあります。SCC は通常、最初の亀裂発生後急速に進行し、純金属よりも合金でよく見られます。したがって、腐食技術者はこの現象を認識しておく必要があります。^[54]

糸状腐食は隙間腐食の一種と考えられており、有機 コーティング（塗料）でコーティングされた金属に時々見られます。^{[55] [56]}糸状腐食は、金属の完全性を弱めたり破壊したりするのではなく、表面の外観にのみ影響を与えるという点で珍しいものです。^[57]

このタイプの腐食は、通常、腐食と周期的応力の組み合わせによって引き起こされます。^[58]応力サイクルの性質や形態など、多くの要因が関係するため、これを測定して制御することは困難です。応力サイクルは局所的な加工硬化を引き起こします。したがって、穴などの応力集中を避けることは、腐食工学設計に適しています。^{[59] [60]}

このタイプの腐食は主に金属合金で発生します。合金中の貴金属の含有量が少ない金属が合金から選択的に浸出します。真鍮から亜鉛が除去されるのがより一般的な例です。^[61]

生物腐食、生物付着、生物による腐食は、電気化学的な基礎があることが現在では知られています。^{[62] [63]}ムール貝、ミミズ、さらには海綿動物などの他の海洋生物も、工学材料を劣化させることが知られています。^{[64] [65]}

水素による損傷は、水素原子（気体状態の水素分子とは対照的）が金属と相互作用することで発生します。^[66]

エロージョン腐食は、液体または液体を含む固体と金属表面の乱流によって引き起こされる金属表面の腐食損傷の一種です。^[67]アルミニウムは、下層の金属に腐食保護を与える酸化アルミニウム層が侵食されるため、特に影響を受けやすい場合があります。^{[68] [69]}

この現象は、低温で拡散性水素によって金属（ほとんどの場合、鉄または鋼）が損傷を受けることを表している。^[66] 水素は多くの金属を脆くする可能性があり、鋼もその1つである。これは、より硬く、より張力の高い鋼に起こる傾向がある。^{[70] [71]}水素は高温でアルミニウムを脆くすることもある。 ^[72]）。チタン金属および合金も影響を受けやすい。^[73]

高温腐食は、典型的には炭化水素燃料源などの熱と化学物質のある環境で発生します^が、他の化学物質もこの腐食形態を可能にします。したがって、ボイラー、ディーゼルまたはガソリンで駆動する自動車エンジン、金属生産炉、石油およびガス生産からのフレアスタックで発生する可能性があります。金属の高温酸化も含まれます。^{[75] [76]}

内部腐食は、4 つの材料劣化モード、すなわち、一般腐食、孔食腐食、微生物腐食、および流体腐食の複合的な影響と重大性によって引き起こされます。^[77]外部腐食制御の同じ原理を内部腐食に適用できますが、アクセス性のため、アプローチが異なる場合があります。したがって、外部腐食制御では使用されない、内部腐食制御および検査用の特別な機器が使用されます。パイプのビデオ スコープとハイテク スマート ピッグは、内部検査に使用されます。スマート ピッグは、パイプ システムのある時点で挿入され、ラインのずっと下で「キャッチ」されます。腐食防止剤、材料選択研究、および内部コーティングの使用は、主に配管の腐食を制御するために使用されますが、アノードとコーティングは、タンクの腐食を制御するために使用されます。材料選択研究中に詳細な腐食計算が実行され、業界ではさまざまな腐食モデルと計算方法 (ソフトウェア) が普及しています。つまり、ECE、Predict、De Waard、Norsok M-506 などです。

内部腐食の問題は、とりわけ以下のものに当てはまります。^[78]水道管、ガス管、石油管、貯水タンク^{[79] [80] [81]}

腐食工学には適切な設計が求められます。^{[82] [83] [84]}鋭角のエッジではなく丸みを帯びたエッジを使用すると腐食が軽減されます。^{[85]また、ガルバニック腐食を避けるために、}溶接やその他の接合方法で異なる金属を結合しないことがベストプラクティスです。 ^[78]大きなカソード（またはカソード材料）の隣に小さなアノード（またはアノード材料）を配置しないようにすることも良い方法です。たとえば、溶接材料は常に周囲の材料よりも貴金属である必要があります。適切な設計が行われていない場合、船舶のバラストタンクの腐食が問題になる可能性があります。 ^[86]その他の例としては、材料の厚さなどの単純な設計があります。既知の腐食状況では、材料を厚くするだけで、腐食にかなり時間がかかります。^[87]

設計技術者による材料の正しい選択は、構造物やパイプラインの設計寿命に影響を及ぼし、石油・ガス産業では非常に重要な意味を持ちます。ステンレス鋼が正しい選択ではなく、炭素鋼の方が良い場合もあります。^{[88]ステンレス鋼は耐食性に優れ、腐食しないという誤解があります。これは常に当てはまるわけではなく、例えばステンレス鋼は}不動態化を維持するために酸素に依存しており、隙間腐食の影響を受けやすいため、脱酸素溶液の取り扱いには使用すべきではありません。^[89]

亜鉛メッキまたは溶融亜鉛メッキは、鋼鉄に金属亜鉛の層をコーティングするために使用されます。^[90]鉛やアンチモンは溶融亜鉛浴によく添加され、^[91]他の金属も研究されています。^{[92] [93] [94] [95]}

腐食を防止または軽減するために環境を制御する方法の1つに、航空機を砂漠に保管する方法があります。これらの保管場所は通常、航空機の墓場と呼ばれます。気候は通常乾燥しているため、この点と他の要因により理想的な環境となっています。^{[96] [97]}

抑制剤は通常、特定の環境に少量添加され、腐食速度を低下させる物質である。^{[98] [99]}抑制剤はいくつかの方法で分類できるが、通常は 1) 酸化性、2) 捕捉性、3) 気相抑制剤、^[100]揮発性腐食抑制剤、 4) 吸着抑制剤、^[101] 5) 水素発生遅延剤と呼ばれることもある。 ^[102]分類する別の方法は化学的である。^[103]環境への関心が高まり、再生可能資源の利用に人々がより熱心になるにつれて、これらの物質を腐食抑制剤として使用できるように改良する研究が進行中である。^[104]

コーティングまたはペイントは通常、大気などの腐食状況に接触する表面に塗布される液体塗布カバーです。^{[105] [106]}表面は通常、基材と呼ばれます。腐食防止用途では、コーティングを塗布する目的は、装飾的というよりも主に機能的です。^[107]ペイントとラッカーは、基材の保護と装飾性の2つの用途を持つコーティングですが、大型工業用パイプのペイントは、腐食防止だけでなく、識別（たとえば、消火制御用の赤など）にも使用されます。 ^{[108]機能コーティングは、}接着性、濡れ性、耐腐食性、耐摩耗性など、基材の表面特性を変更するために塗布される場合があります。^[109]自動車産業では、コーティングは腐食を制御するために使用されますが、美観上の理由もあります。^[110]コーティングは、海洋環境での腐食を制御するために、海洋環境でも広く使用されています。^{[111] [112]}腐食は最終的にコーティングを突破するため、メンテナンス前の設計寿命があります。^{[113] [114]}

• Kreysa, Gerhard; 太田 健一郎; Savinell, Robert F. 編 (2014). 応用電気化学百科事典. ニューヨーク: Springer New York. doi :10.1007/978-1-4419-6996-5. ISBN 978-1-4419-6995-8。
• アフマド、ザキ (2006)。腐食工学と腐食制御の原理。化学技術者協会 (第 1 版)。ボストン、マサチューセッツ州: Elsevier/ BH。ISBN 978-0-08-048033-6. OCLC  147962712.
• Madkour、Loutfy H. 産業腐食および腐食制御技術。
• Brett CMA、Brett AMO、「電気化学、原理、方法、およびアプリケーション」、オックスフォード大学出版局、(1993) ISBN 0-19-855389-7 
• ジョーンズ、デニー A. (1996)。腐食の原理と防止。アッパーサドルリバー、ニュージャージー州：プレンティスホール。ISBN 0-13-359993-0. OCLC  32664979.
• フォンタナ、マース G (2005)。腐食工学（第 3 版）。ニューデリー: タタ・マグロウヒル。pp. 278–280。ISBN 0070607443. OCLC  225414435.
• PE、Philip A. Schweitzer (2009)。「腐食の基礎」。腐食技術: 5。
• CL Page、PB Bamforth、JW Figg 編 (1996)。コンクリート構造物における鉄筋の腐食。ケンブリッジ: 王立化学協会、情報サービス。ISBN 0-85404-731-X. OCLC  35233292.1996 年 7 月 1 日から 4 日まで英国ケンブリッジのロビンソン カレッジで開催された「コンクリート構造物における鉄筋の腐食」に関する第 4 回国際シンポジウムで発表された論文。
• 材料科学。JCアンダーソン（第4版）。ロンドン：チャップマン＆ホール。1990年。ISBN 0-412-34150-6. OCLC  22361400。{{cite book}}: CS1 メンテナンス: その他 (リンク)
• 腐食 - 第 2 版 (elsevier.com) 第 1 巻および第 2 巻; 編集者: LL Shreir ISBN 9781483164106 
• AW ピーボディ、ピーボディのパイプライン腐食制御、第 2 版、2001 年、NACE インターナショナル。ISBN 1-57590-092-0 
• アシュワース V.、腐食第 2 巻、第 3 版、1994 年、ISBN 0-7506-1077-8 
• Baeckmann、Schwenck & Prinz、陰極防食ハンドブック、第 3 版1997。ISBN 0-88415-056-9 
• ロベルジュ、ピエール R、腐食工学ハンドブック 1999 ISBN 0-07-076516-2 
• Gummow, RA、「陰極防食による公共インフラの腐食制御」、NACE カンファレンス 1999 年 10 月、NACE 材料性能 2000 年 2 月
• シュバイツァー、フィリップ A. (2007)。腐食工学ハンドブック。金属腐食の基礎：金属の大気腐食と媒体腐食（第 2 版）。ボカラトン：CRC プレス。ISBN 978-0-8493-8244-4. OCLC  137248972.
• シュバイツァー、フィリップ A. (2007)。腐食工学ハンドブック。ポリマーとエラストマーの腐食(第 2 版)。ボカラトン: CRC プレス。ISBN 978-0-8493-8246-8. OCLC  137248977.
• シュバイツァー、フィリップ A. (2007)。腐食工学ハンドブック。ライニングとコーティングの腐食: 陰極および抑制剤による保護と腐食モニタリング(第 2 版)。ボカラトン: CRC プレス。ISBN 978-0-8493-8248-2. OCLC  137248981.
• 黄永昌;張建琦（2018）。材料の腐食と保護。上海。ISBN 978-3-11-038295-2. OCLC  102405205​​8.{{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所が見つかりません 発行者 (リンク)